工业控制计算机输出电路设计探析

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摘要：现今，工业控制计算机8路GPIO输出电路每路的驱动电流只有10mA左右，不能满足某些工控场所所需的大电流驱动的要求。研究了一种功率驱动电路来实现GPIO输出高驱动电流，比一般GPIO输出端提供的驱动电流大100倍左右，安全、可靠、稳定，适用性相对较强，行业认可度也将更高。

关键词：输出电路；功率；驱动；电流

GPIO接口即通用输入／输出接口［1］，在工业领域经常用于控制许多外部设备或者电路，且一般8路GPIO转接卡即可满足使用要求。然而，现在通用的工业控制计算机8路GPIO转接卡每路的驱动电流只有10mA左右，不能满足某些工控场所所需的大电流驱动的要求，因而亟需制作一种满足此要求的GPIO转接卡［2］。为满足某些客户对于输出5V／8A这种大电流的技术要求，目前需要新设计一种8路GPIO转接卡，实现每路接客户1A电流的LED灯。但由于一般的GPIO每路输出驱动电流只有10mA左右，而本方案需要输出每路1A的电流，因而需要对方案进行研究、验证，使其满足8路输出、每路5V／1A的要求。

18路GPIO输出电路实现原理

针对现有工业控制计算机8路GPIO转接卡，该8路GPIO转接卡以其中一路为例进行详细介绍［3］。首先经由电子开关输出8路GPIO信号，其中一路输出信号OUTPUT0与R1、C1相连。R1一般使用10mA左右的驱动电流来驱动对应的LED灯，这样可以满足许多工业计算机场合的使用要求［4－5］。但对于一些特定的工业场所需求比较大的驱动电流（比如每路5V／1A）时，现用的8路GPIO转接卡则远远不能满足要求，应用领域狭窄、持续长时间工作时，可能会引起电子开关过热进而降低使用寿命的风险，且外接感性负载时，没有钳位保护电路来防止高压对于电子开关的冲击［6－7］。为满足特定场合大电流驱动的使用要求，现制定了一种电路：经功率驱动电路驱动后输出的8路GPIO转接卡，来满足大、小电流均可稳定、可靠地驱动使用要求。现有具体方案设计电路如图1所示：该驱动电路实质上是一种低功率驱动的8路GPIO转接卡，不能满足某些特定场所对于较大驱动电流的需求，且持续长时间工作时，可能会带来电子开关过热进而降低使用寿命的风险。

28路GPIO输出电路的设计与优化

本技术方案不仅兼容现有技术设计，而且提高产品测试的效率和质量，提高测试的性能以及可靠性要求。解决了特定客户提出的问题，提高了该产品的稳定性能以及核心市场竞争力。本技术方案工业控制计算机8路GPIO驱动转接卡主要是通过功率MOS驱动电路驱动来实现的。兼容本文现有技术，且设计更加可靠，应用场景更加广泛，在保证低功率驱动的情况下，也能稳定、可靠地保证特定工控场所高驱动电流的需求。

2．1方案设计

方案原理如图2所示：本方案设计由能够驱动5V／8A的主板8路GPIO作为输入接口，经过功率驱动电路来实现8路输出、每路5V／1A的要求。

2．28路GPIO输出电路设计与优化

此方案设计了一种由GPIO输出信号经过功率驱动MOS管Q1驱动产生每路1A的电流，具体设计方案如图3所示：该方案主要包括功率驱动MOS管Q1、贴片三极管Q2、贴片二极管D1以及电阻R1、R2、R3。其中，R2的一端接GPIO输出信号OUTPUT0，另一端与贴片三极管Q2的基极相连；R1的一端与VCC12以及贴片二极管D1的阴极相连，另一端与贴片三极管Q2的集电极以及功率驱动MOS管Q1的栅极相连。R3一端与LED信号LED1－相连，另一端与贴片二极管D1的阳极以及功率驱动MOS管Q1的漏极相连，功率驱动MOS管Q1的源极与Q2的发射极均接地。本方案主要利用功率驱动MOS管的驱动作用来实现1A左右的大驱动电流，较现有方案的驱动电流大100倍左右。本设计方案兼容本文现有技术方案，现有方案只能满足低驱动电流的需求，而本文设计方案能稳定、可靠地保证特定工控场所所需高、低驱动电流的需求，应用场景也更加广泛。在通电情况下，当GPIO输出信号OUTPU0经过R2且为高电平时，贴片三极管Q2导通，功率驱动MOS管Q1关断，此时R3端的LED1－信号为高，此时外接LED灯不亮；当GPIO输出信号OUTPU0经过R2且为低电平时，贴片二极管Q2关断，功率驱动MOS管Q1导通，此时LED1－信号电阻电阻R3且为低电平，此时外接1ALED灯变亮且亮度正常。功率MOS管Q1可以提供1A左右的驱动电流，比一般GPIO输出端提供的驱动电流大100倍左右。该电路GPIO输出信号控制1ALED灯亮灭的实现，主要是根据所选择MOS管的功率驱动进行控制的。其中，贴片二极管D1主要是钳位保护的作用，为了防止客户接感性负载时，保护功率驱动MOS管Q1免于瞬断时的高压冲击。本文单路功率驱动电路弥补了现有技术方案GPIO输出无法提供高驱动电流的缺陷。与现有技术方案相比较，本文设计更加稳定、可靠，提高产品测试的效率和质量，应用场景也更加广泛。

3结束语

本技术方案设计方法是通过一种功率驱动电路来实现GPIO输出高驱动电流，安全、可靠、稳定，适用性也相对较强。

作者:程传阳 王振发 单位:研祥智能科技股份有限公司 国家特种计算机工程技术研究中心